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        線材表面除鱗工藝及關鍵技術研究

        2021-05-27 06:46:04姚寅群
        科技經濟導刊 2021年13期
        關鍵詞:機械化學方法

        安 超,姚寅群

        (國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇 蘇州 215000)

        線材在熱態(tài)軋制或熱處理過程中,會在表面形成一層由金屬氧化物組成的致密覆蓋物,俗稱“鱗皮”,也叫氧化鐵皮,其存在會對線材的進一步處理造成影響:一方面,由于氧化鐵皮質地硬脆,如果過多地殘留在鋼絲表面,在拉拔等后續(xù)加工處理中容易刮傷模具和線材表面,影響模具壽命以及造成產品表面質量問題;另一方面,氧化鐵皮的存在使材料表面裂縫不容易被提前發(fā)現(xiàn),從而使加工出的成品存在質量問題。因此,在金屬線材拉拔或其他加工處理之前,線材表面的氧化皮必須完全去除,以保證線材成品表面的光潔度,保證線材和拉拔模具間的潤滑,減小模具損耗,提高線材質量。

        1.線材表面除鱗工藝分類

        目前廣泛使用的除鱗方法,主要有化學除鱗法和機械除鱗法,此外,還出現(xiàn)了光電除鱗等新方法。

        化學除鱗法是利用化學或者電化學的方法清除線材表面的氧化鐵皮,主要分為酸洗和堿洗兩大類,主要用于碳鋼和低合金鋼線材的除鱗,但是環(huán)境污染較大。

        機械除鱗是將線材盤條的氧化鐵皮用施加外力的方法使之疏松、破裂、剝落,常見的機械除鱗方法很多,如反復彎曲、拋丸、噴射、鋼絲刷清理等方法。和化學除鱗法相比,機械除鱗的生產效率高,對環(huán)境污染小,具有一定的優(yōu)勢。

        光電除鱗是后來發(fā)展起來的除鱗方法,主要采用光電手段進行除鱗,例如真空電弧除鱗法(也叫等離子體除鱗法)和激光除鱗法,電弧除鱗法利用陰極斑點表面的侵蝕現(xiàn)象進行除鱗;此外,還有火焰除鱗法,以及通過研究線材的成分來改善鱗皮的除去性能的方法等。

        目前存在的除鱗方法較多較雜,系統(tǒng)分析各種除鱗方法及其發(fā)展脈絡具有較大的應用價值,能夠為以后的實際工業(yè)生產提供理論支持。因此本文從專利以及非專利庫進行全面檢索,對除鱗方法進行系統(tǒng)分析,總結其技術分支以及發(fā)展脈絡,分析該領域難點及解決方案。

        2.線材表面除鱗技術專利申請狀況分析

        2.1 線材表面除鱗技術全球/中國專利申請量數(shù)據(jù)變化

        線材表面除鱗技術的申請量發(fā)展包括了以下三個階段:

        起步階段:專利數(shù)據(jù)庫中已知最早的線材表面除鱗方法申請出現(xiàn)在1966年,之后有了緩慢的增長。

        平穩(wěn)增長階段:20世紀80年代,該類型專利數(shù)量出現(xiàn)了一次小的爆發(fā),分析專利數(shù)據(jù)可知,這次爆發(fā)源于日本在80年代開始了大規(guī)模的專利申請,之后整體申請量再度趨于平穩(wěn)。從80年代到上世紀末,專利申請數(shù)量又出現(xiàn)過幾次小的高潮,分析具體專利國別可以發(fā)現(xiàn),仍然是日本提出的專利申請數(shù)量大增導致了這一現(xiàn)象。

        迅猛發(fā)展階段:進入21世紀,該項專利申請數(shù)量出現(xiàn)了激增,主要原因在于中國參與到該項專利申請中來。

        圖1所示為全球專利申請與中國專利申請年代分布圖。中國在該領域的專利申請起步較晚,而且在起步階段發(fā)展也比較緩慢,但進入21世紀之后,中國的專利申請數(shù)量有了巨大的飛躍。如前文所述,全球專利申請數(shù)量的大幅度上升也得益于中國的參與。僅以2006-2010年為例,全球85項專利申請,中國獨占了72項,占比高達84.7%。

        圖1 全球專利申請與中國專利申請年代分布圖

        2.2 線材表面除鱗技術專利申請國別分布

        圖2 主要國家專利申請分布情況

        圖2所示為主要國家對線材表面除鱗方法的專利申請分布情況。日本、德國、美國、歐洲各國以及前蘇聯(lián)作為老牌強國,專利申請量在上個世紀占了較大比重,具有舉足輕重的地位。中國雖然在該領域起步較晚,但近年來的發(fā)展十分迅猛,專利申請數(shù)量已經超過了全球其他國家的總和。緊隨中國之后的便是日本,得益于長期的技術積累,日本在這一領域仍然占據(jù)著重要的地位,與中國共同組成該項技術申請的主要來源國。

        3.線材表面除鱗方法重點技術分布

        機械除鱗法占據(jù)了最重要的地位占比79%,化學除鱗法緊隨其后占據(jù)了13%,機械與化學相結合的方法占據(jù)了3%,其他方法占據(jù)5%。由此可以明顯看出,在全球線材表面除鱗技術的研究中,機械除鱗法受最多關注。而進一步的機械除鱗法中采用最多的是反復彎曲法,占比43%,緊隨其后的是鋼絲刷除鱗法,占比17%。

        3.1 機械除鱗法

        線材表面機械除鱗技術,主要分為反復彎曲法、鋼絲刷除鱗法、噴砂法、模具刀除鱗法以及砂帶除鱗法。重點分析占比較高的反復彎曲除鱗法和鋼絲刷除鱗法進行分析,找出除鱗方法重點關注的內容以及作出的改進。

        3.1.1 反復彎曲除鱗法

        反復彎曲除鱗法也成為機械剝殼法,是機械除鱗技術中應用最多的方法。該方法利用氧化鐵皮的低延伸率和脆性,通過布置成較大彎曲角度的多個剝殼輪對線材進行反復的彎曲,從而達到破鱗和除鱗的目的,這種方法經常結合砂帶或鋼絲刷對參與和破碎的氧化鐵皮進行去除。

        反復彎曲法的發(fā)展經歷了漫長的發(fā)展階段,從1973年發(fā)展至今,仍舊在線材除鱗方法中占據(jù)最重要的地位,該方法于專利中有記載得最早的專利文獻,是1973年德國的專利申請DE2328109A,其將線材彎曲到彈性極限,將氧化皮進行破碎,隨后用滾輪進行打磨,去除殘留氧化皮,達到除鱗的目的。隨后經歷了從簡單的單獨彎曲到反復彎曲,再到與其他除鱗手段相結合,以及對剝殼輪結構的詳細研究設定以提高除鱗效果的多步發(fā)展,如今已經趨于成熟,是最為重要也最為基礎的除鱗手段。

        3.1.2 鋼絲刷除鱗法

        鋼絲刷除鱗法一般是通過設置成對的刷輪,刷輪上設置鋼絲,刷輪通過主軸帶動旋轉,線材穿過刷輪即將氧化鐵皮去除。

        鋼絲刷最早的結構見于1981年由前蘇聯(lián)申請的專利SU3259047A,采用了可動夾持線束的夾具,將線束與線材表面進行接觸摩擦去除氧化皮,但是由于線材表面不能完全接觸線刷,因此去除效果并不理想。隨后的申請中,對鋼絲刷的布置角度進行了詳細的研究,多個不同角度布置的鋼絲刷對線材進行了全方位除鱗。

        3.2 化學除鱗法

        化學除鱗法主要采用圓形酸洗、直線酸洗、震動酸洗、電解酸洗、螺旋酸洗、連續(xù)酸洗、封閉酸洗等[1-2],歸納起來主要有兩大類,即酸洗和電解。酸洗產生的酸霧對環(huán)境污染較大,酸洗后的廢液處理和揮發(fā)的酸霧制約了很多線材生產企業(yè)的發(fā)展,但是這項技術也存在操作技術容易掌握以及質量穩(wěn)定的優(yōu)點,因此并未完全被淘汰。酸洗和電解法既單獨使用也經常結合在一起使用。

        化學除鱗法主要在20世紀應用較多,進入本世紀以來,由于對環(huán)境要求日益提高,化學除鱗法的應用以及研究都銳減。由于電解以及酸洗的過程中大部分均用到強酸性溶液,因此其本質上很難再有突破性發(fā)展,今后化學除鱗法的研究也主要集中在如何優(yōu)化酸洗液的成分以減少環(huán)境污染上。

        3.3 其他除鱗法

        除了機械除鱗法、化學除鱗法以及二者相結合的除鱗方法之外,還出現(xiàn)了多種多樣的除鱗方法。例如光電除鱗法,其主要采用光電手段進行除鱗,例如真空電弧除鱗法(也叫等離子體除鱗法)和激光除鱗法。這個概念出現(xiàn)得較晚,并且研究文獻量較少,目前仍舊屬于探索階段。日本1995年提交的專利申請就采用了真空電弧除鱗法,其將線材卷繞在兩個卷筒上,兩個卷筒之間的線材兩側放置電極板,并均設置于真空箱內,進行電弧放電除鱗。2014年中國科學技術大學的湯中亮的博士論文《低氣壓直流弧斑等離子體除鱗及其放電特性研究》針對低氣壓直流電弧在除鱗中的應用開展了弧斑等離子體放電技術、等離子體放電特性和除鱗工藝研究,建立了一套低氣壓陰極弧斑等離子體除鱗裝置,進行了柱狀銅電極、球狀銅電極、石墨電極等多種電極的除鱗實現(xiàn),開展了樣品與電極間的靜態(tài)和動態(tài)除鱗研究,實現(xiàn)了不同尺寸樣品的除鱗。

        目前光電除鱗方法在工業(yè)上的應用很少,下一步的工作是使真空電弧除鱗等光電除鱗技術從實驗室向工業(yè)應用進一步的發(fā)展,進一步提高除鱗效率降低能耗,對放電參數(shù)、材料成分與除鱗效果之間的相關性進行進一步的探索研究。

        綜上,在全球線材表面除鱗技術的研究中,機械除鱗法受最多關注,目前機械除鱗法仍然是線材除鱗技術的主流方法,在線材除鱗中占據(jù)非常重要的地位。化學除鱗法主要在20世紀應用較多,進入本世紀以來,由于對環(huán)境要求日益提高,化學除鱗法的應用以及研究都銳減,今后化學除鱗法的研究也主要集中在如何優(yōu)化酸洗液的成分以減少環(huán)境污染上。目前光電除鱗方法在工業(yè)上的應用很少,下一步的工作是使真空電弧除鱗等光電除鱗技術從實驗室向工業(yè)應用進一步發(fā)展,進一步提高除鱗效率降低能耗,對放電參數(shù)、材料成分與除鱗效果之間的相關性進行進一步探索研究。

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